高性能宏觀碳材料，如碳纖維，是各類高強(qiáng)、高模復(fù)合材料的基礎(chǔ)，在空天領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的戰(zhàn)略性作用。

然而，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工藝優(yōu)化，碳纖維的力學(xué)性能日益穩(wěn)定，發(fā)展趨勢(shì)減緩 （圖1）。另一方面，碳納米結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)與自下而上組裝技術(shù)的興起為高強(qiáng)輕質(zhì)材料的發(fā)展帶來(lái)了新機(jī)遇。

圖1.碳纖維、碳納米管纖維與石墨烯薄膜抗拉強(qiáng)度的發(fā)展趨勢(shì)比較 （Gao et al., Carbon, 2018, 138: 134-142; Gao et al., Bio-inspired graphene-derived membranes, 21st Century Nanoscience - A Handbook, CRC Press, 2019）。

基于碳納米結(jié)構(gòu)制備高強(qiáng)輕質(zhì)材料的基本原理是定向組裝碳納米結(jié)構(gòu)，最大限度地利用碳納米結(jié)構(gòu)在優(yōu)勢(shì)維度上的力學(xué)特性。近二十年來(lái)，高質(zhì)量碳納米結(jié)構(gòu)的制備、改性與組裝技術(shù)快速發(fā)展，構(gòu)筑單元及其界面結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化，以碳納米管纖維與石墨烯薄膜為代表的碳納米結(jié)構(gòu)組裝材料發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁。例如，碳納米管纖維抗拉強(qiáng)度已經(jīng)高達(dá)數(shù)個(gè)吉帕 （圖1），而密度僅約為普通鋼材的六分之一。高強(qiáng)輕質(zhì)的特性使低維碳基取向材料在軍事及民用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖2. 高性能碳材料的強(qiáng)度-延性悖論。

但是，此類材料尚無(wú)法兼具高強(qiáng)度和高延性，展現(xiàn)出強(qiáng)度-延性悖論 （圖2）。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)久演化，自然界中的許多生物材料具有突出的高強(qiáng)高延性能，這為基于微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料提供了靈感。例如，得益于包括β折疊結(jié)構(gòu)在內(nèi)的多種構(gòu)象及其之間的轉(zhuǎn)變，蠶絲兼具高強(qiáng)度與高延性的特質(zhì)。受此啟發(fā)，武漢大學(xué)的科研人員提出并驗(yàn)證了通過(guò)折疊低維碳結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)其宏觀構(gòu)筑材料高強(qiáng)度和高延性協(xié)同的策略 （圖3）。具體而言：

首先，仿照高強(qiáng)高延生物材料的β折疊片層結(jié)構(gòu)，以超柔性碳納米結(jié)構(gòu)為構(gòu)筑單元取代天然β折疊片層的肽鏈，獲得折疊碳納米結(jié)構(gòu) （圖3），再將折疊的碳納米結(jié)構(gòu)層層組裝，構(gòu)建宏觀組裝材料模型；

圖3. （a）蠶繭與蛋白β折疊片層結(jié)構(gòu)；（b）碳納米結(jié)構(gòu)組裝材料與折疊片層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。

然后，對(duì)上述生物啟發(fā)材料開(kāi)展大尺度原子模擬驗(yàn)證，結(jié)果表明上述材料具有優(yōu)異的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性以及高強(qiáng)高延特性 （圖4）。例如，對(duì)于兩次折疊碳納米結(jié)構(gòu)材料，理想抗拉強(qiáng)度和斷裂應(yīng)變分別高達(dá)33 GPa和256%，同時(shí)界面的剪切、滑移以及折疊的展開(kāi)顯著提高了材料變形破壞所耗散的能量。

圖4. （a）折疊組裝材料的動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性計(jì)算分析，以及（b）典型應(yīng)力應(yīng)變曲線。

最后，開(kāi)展了折疊微觀結(jié)構(gòu)與材料宏觀強(qiáng)度-延性的關(guān)聯(lián)研究，獲得了折疊結(jié)構(gòu)特征參數(shù)（折疊長(zhǎng)度、折疊層數(shù)與折疊界面結(jié)合能）與宏觀材料強(qiáng)度-延性的定量關(guān)系，建立了嵌入折疊結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的力學(xué)模型。對(duì)模型參數(shù)開(kāi)展分析，提出了面向材料高強(qiáng)度-高延性需求的微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及最大限度利用碳納米結(jié)構(gòu)優(yōu)異力學(xué)特性的組裝策略 （圖5）。

圖5. （a）不同折疊組裝材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線表明（b）折疊層數(shù)n是有效調(diào)節(jié)其宏觀強(qiáng)度與延展性的有效參量。

該工作基于生物啟發(fā)提出了通過(guò)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲取宏觀高強(qiáng)度高延性材料的策略，并使用原子模擬驗(yàn)證了該策略的可行性，多尺度理論分析給出了高性能碳材料強(qiáng)度-延性微結(jié)構(gòu)的物理圖像。該工作為高強(qiáng)度高延性材料的實(shí)驗(yàn)制備提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，有助于推動(dòng)新興高性能碳材料的發(fā)展。

近期該工作以“Bio-inspired self-folding strategy to break the trade-off between strength and ductility in carbon-nanoarchitected materials”為題發(fā)表在自然伙伴期刊npj Computational Materials。該論文通訊作者為武漢大學(xué)土建學(xué)院高恩來(lái)副研究員，第一作者為武漢大學(xué)土建學(xué)院2016級(jí)本科生賈向正。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、湖北省自然科學(xué)基金和中央高校自主科研經(jīng)費(fèi)的資助。

作者簡(jiǎn)介

高恩來(lái)，武漢大學(xué)工程力學(xué)系副研究員。2013和2018年分別本科和博士畢業(yè)于中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)工程力學(xué)專業(yè)和清華大學(xué)固體力學(xué)專業(yè)。2016至2017年在美國(guó)德克薩斯大學(xué)-達(dá)拉斯分校訪問(wèn)研究。2018年入職武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院工程力學(xué)系。主要從事復(fù)雜固體微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性能關(guān)聯(lián)等物理力學(xué)問(wèn)題研究。在JMPS, Science, Nature Comm.等主流期刊發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇；獲授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng)；應(yīng)邀撰寫(xiě)英文專著1章。

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